L'amplificatore laser ad alta potenza con il più alto guadagno al mondo - di molti ordini di grandezza - è stato sviluppato in una ricerca condotta presso l'Università di Strathclyde.

I ricercatori hanno dimostrato la fattibilità dell'utilizzo del plasma per amplificare brevi impulsi laser di energia a livello di picojoule fino a 100 millijoule, che è un "guadagno" o amplificazione di oltre otto ordini di grandezza - che potrebbe essere paragonato all'amplificazione del suono delle foglie fruscianti a quello di un jumbo jet - in soli due mm di plasma.

Hanno usato impulsi da 150 J dal potente sistema laser Vulcan presso il Central Laser Facility (CLF) del Consiglio delle strutture scientifiche e tecnologiche. Nel corso di due esperimenti pionieristici al CLF, gli scienziati hanno lavorato a stretto contatto con lo staff del CLF per adattare il laser Vulcan in modo che due laser di colore diverso potessero scambiare energia in un plasma. Il coefficiente di guadagno misurato di 180 cm-1 è più di 100 volte maggiore di quello ottenibile dagli amplificatori di sistemi laser ad alta potenza esistenti basati su supporti a stato solido.

I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Rapporti scientifici , in un articolo intitolato Un amplificatore ad altissimo guadagno ed efficiente basato sull'amplificazione Raman nel plasma.

Professor Dino Jaroszynski, del Dipartimento di Fisica di Strathclyde, ha condotto la ricerca. Ha detto:"L'amplificazione Raman nel plasma è un concetto affascinante che combina le idee del premio Nobel per la fisica CV Raman con il plasma, fisica ottica e laser.

Qui, relativamente lungo, impulso laser ad alta energia viene fatto scontrare nel plasma con un breve, impulso di energia molto bassa. Nel punto in cui si scontrano producono un'onda di battito, molto simile a quello di due onde d'acqua che si scontrano. La leggera pressione del modello di battito spinge gli elettroni del plasma in uno schema regolare o scaglione che imita l'onda del battito. Questo scaglione multistrato agisce come un'altissima riflettività, specchio variabile nel tempo che assorbe l'energia dell'impulso ad alta energia riflettendola nell'impulso a bassa energia, amplificando così l'impulso a bassa energia e comprimendo la sua energia in un impulso di luce di durata ultra breve.

"I nostri risultati sono molto significativi in ​​quanto dimostrano la flessibilità del mezzo al plasma come mezzo amplificatore ad altissimo guadagno. Mostriamo anche che l'efficienza dell'amplificatore può essere piuttosto grande, almeno il 10%, che è senza precedenti e può essere ulteriormente incrementato. Però, mostra anche ciò che deve ancora essere compreso e controllato per ottenere un singolo stadio ad alto guadagno, modulo amplificatore ad alta efficienza.

"Un esempio delle sfide che dobbiamo ancora affrontare è come affrontare l'amplificazione del "rumore" prodotto da fluttuazioni casuali del plasma, che è esacerbato dal guadagno estremamente elevato. Questo porta a canali indesiderati per far andare l'energia. Stiamo facendo ottimi progressi e crediamo di essere in una posizione eccellente per risolvere questi problemi nelle nostre prossime campagne sperimentali".

Il dottor Gregory Vieux che ha guidato il gruppo di ricerca che lavora al CLF, ha dichiarato:"Il plasma è un mezzo molto interessante con cui lavorare. Non ha una soglia di danno poiché è già un mezzo completamente guasto, quindi possiamo usarlo per amplificare brevi impulsi laser senza la necessità di allungare e ricomprimere. Un altro vantaggio è che teoricamente è possibile un'ulteriore compressione durante l'amplificazione. Ciò potrebbe aprire la strada allo sviluppo della prossima generazione di sistemi laser che forniscono impulsi ultra-intensi e ultra-corti e ad una frazione del costo dei laser esistenti.

"Ancora, non siamo ancora arrivati. Lo schema si basa sul controllo dell'instabilità Raman. Ha un fattore di crescita così grande che può svilupparsi e crescere da piccole fluttuazioni del plasma".

Gli amplificatori laser sono dispositivi che amplificano la luce. In quelli che ci sono familiari, questo viene fatto sincronizzando l'emissione di luce dagli elettroni negli atomi o nella materia allo stato solido, per renderlo coerente, che è un passo necessario per raggiungere potenze molto elevate. Però, i laser ad altissima potenza alla frontiera della tecnologia sono limitati dai danni ai loro componenti ottici e ai mezzi di amplificazione. Questo li rende molto grandi e molto costosi.

Plasma, il mezzo onnipresente dell'universo, offre un modo per aggirare questa limitazione perché è molto robusto e resistente ai danni:il plasma può essere visto come materia che è già stata scomposta nei suoi elementi costitutivi più piccoli:elettroni e ioni. Sfruttando le onde nel plasma possiamo ridurre drasticamente le dimensioni degli amplificatori laser fornendo al contempo un percorso verso potenze di picco molto più elevate di quanto sia possibile ora, superando la gamma dei petawatt per raggiungere eventualmente gli exawatt. Questo è un obiettivo molto degno perché impulsi laser molto intensi possono essere utilizzati per studi fondamentali, come particelle in accelerazione, aiutando a guidare la fusione nucleare o addirittura estraendo particelle dal vuoto e ricreando le condizioni all'interno delle stelle o la condizione primordiale dell'universo in laboratorio.

I laser più potenti al mondo saranno disponibili per l'uso in tre centri di ricerca che fanno parte del progetto European Extreme Light Infrastructure (ELI). Questo progetto da 850 milioni di euro è dedicato allo studio delle interazioni luce-materia alle più alte intensità e nelle scale temporali più brevi. La potenza del laser a ELI sarà 1016 Watt o il 5% della potenza totale del sole che viene assorbita sulla terra in qualsiasi momento. Questi laser porteranno a nuove scienze e tecnologie che potrebbero, Per esempio, trasformare la nostra comprensione della fisica di alto campo e portare a nuove modalità di radioterapia per il trattamento del cancro. È necessario ridurre i costi della tecnologia laser, che il plasma potrebbe offrire. Il plasma può essere un percorso verso potenze superiori per andare oltre quelle disponibili presso ELI per raggiungere potenze di exawatt.